CN104833324A

CN104833324A - 一种基于测量头的机器人标定方法

Info

Publication number: CN104833324A
Application number: CN201510044713.2A
Authority: CN
Inventors: 平雪良; 齐飞; 刘洁; 蒋毅
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2015-08-12

Abstract

本发明涉及一种基于测量头的机器人标定方法，具体包括以下步骤：建立机器人运动学模型；将测量头安装在机器人法兰盘末端；对测量头进行工具参数标定；将标定块放入机器人工作空间内；对标定块进行示教并测量；机器人运动学参数标定；标定实验结果验证。本发明将测量头应用于机器人标定的技术领域，该方法具有简单、实用、高效的特点，适用于任何串联机器人，通用型强，同时提高了机器人的绝对定位精度。

Description

一种基于测量头的机器人标定方法

技术领域

本发明涉及一种基于测量头的机器人标定方法，属于机器人标定的技术领域。

背景技术

1.随着工业技术的发展以及劳动力成本的大幅度上升，国内工业机器人得到了飞速的发展和应用。一般来说，工业机器人的重复定位精度很高(可达0.01毫米)而其绝对定位精度较低，一般为十几毫米至几毫米，这对机器人的使用性能造成很大的影响，所以要对机器人进行参数标定，辨识出机器人的实际参数，提高绝对定位精度。

2.机器人标定是建模、测量、参数辨识和误差补偿几个步骤的集成过程。首先建立机器人误差辨识模型，其次通过测量设备获得实验数据，再将得到的数据代入到所建立的误差模型中进行参数辨识，最终将辨识出的机器人实际参数补偿到控制器中以提高机器人的绝对定位精度。但在以往的标定过程中，所建立的标定模型复杂，数据测量需要昂贵的测量仪器，同时需要处理测量坐标系与机器人基坐标系之间复杂的转换运算。

3.针对上述技术情况，本发明提出一种基于测量头的机器人标定方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种基于测量头的机器人标定方法，该标定方法具有简单、实用、高效的特点，可以有效提高机器人的绝对定位精度。

发明的技术方案是：

1.一种基于测量头的机器人标定方法，包括以下步骤：

A.建立机器人运动学模型；

B.将测量头安装在机器人法兰盘末端；

C.对测量头进行工具参数标定；

D.将标定块放入机器人工作空间内；

E.对标定块进行示教并测量；

F.机器人运动学参数标定；

G.实验验证。

2.所述步骤(A)建立机器人运动学模型是通过传统的D-H建模方法对机器人进行建模，将连杆坐标系i相对于连杆坐标系i-1的齐次变换矩阵设为A_i，则机器人末端连杆坐标系T和机器人基础坐标系0的总变换⁰T_T为：

⁰T_T＝A₁A₂...A_i...A_T

3.所述对测量头进行工具参数标定是通过对工作空间内已知位置点示教来求解测量头末端与机器人末端法兰盘之间的相对位置关系矩阵^TT_E，转换关系如下：

⁰T_T·^TT_E＝⁰T_E

其中：⁰T_T为机器人末端法兰盘的坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵，可从机器人控制软件中直接读取，^TT_E为测量头末端坐标系相对于机器人法兰盘坐标系的变换矩阵，矩阵⁰T_E为空间内已知位置点相对于机器人基坐标系的位姿矩阵。

4.所述对机器人运动学参数标定过程中，通过将步骤(E)所测量得到的位置坐标数据代入到标定模型，利用最小二乘法求解运动学参数误差，通过修正运动学参数完成机器人标定，机器人参数误差标定模型如下：

-N·J(p₀,θ_i)dp'＝N·P(p₀,θ_i)-R

\begin{matrix} NJ = {[\begin{matrix} n \cdot J (p_{0}, θ_{1}) \\ n \cdot J (p_{0}, θ_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ n \cdot J (p_{0}, θ_{m}) \end{matrix}]}_{m \times 1} & NP = {[\begin{matrix} n \cdot P (p_{0}, θ_{1}) \\ n \cdot P (p_{0}, θ_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ m \cdot P (p_{0}, θ_{m}) \end{matrix}]}_{m \times 1} & R = [\begin{matrix} r \\ r \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ r \end{matrix}] \end{matrix}

其中：N为示教平面的单位法向量；J为标定雅克比矩阵；dp’为机器人参数误差向量；P为示教测量得到的机器人末端理论位置矩阵；R为测量头中心到标准平面的距离向量。

5.所述步骤(G)对标定实验进行验证过程中，利用步骤(F)中得到的机器人误差参数来修正机器人的理论参数，同时控制机器人对标准块平面再次进行示教测量，将所测的数据进行平面拟合，得到拟合平面的平面度，将其与所要求的平面度进行对比，是否满足要求，若是，则停止标定过程，若否，重新继续步骤B、C、D、E、F、G，直到满足精度要求。

本发明的有益效果是：本发明一种基于测量头的机器人标定方法，将测量头与机器人系统结合对机器人参数进行标定，该方法具有简单、实用、高效的特点，可成功辨识机器人运行学参数误差，提高机器人的绝对定位精度。本发明适合应用于任何串联机器人，而且标定效果明显，成本较低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式和路线进行具体解释和说明。

图1是本发明一种基于测量头的机器人标定方法的步骤流程图；

图2是接触式测量头示意图；

图3是六自由度工业机器人示意图；

图4是建立机器人标定模型原理图。

具体实施方式

参照图1、2、3、4，一种基于测量头的机器人标定方法方法，包括以下步骤：

A.建立机器人运动学模型

建立机器人运动学模型是分析机器人性能的基础，通过传统的D-H法建立机器人运动模型。D-H法就是利用四个参数θ，d,α，a来表示机器人连杆之间的齐次转换关系，θ表示机器人关节x_i-1和x_i绕z轴的夹角；d代表x_i-1和x_i沿z轴平移的距离；α代表z_i-1和z_i绕x轴旋转角度；a代表z_i-1和z_i沿x轴平移的距离将连杆坐标系i相对于连杆坐标系i-1的齐次变换矩阵A_i为：

A_i＝Rot(X,α_i-1)Trans(X,a_i-1)Rot(Z,θ_i)Trans(Z,d_i)

则机器人末端连杆坐标系T和机器人基础坐标系0的总变换⁰T_T为：

⁰T_T＝A₁A₂...A_i...A_T

B.将测量头安装在机器人法兰盘末端；

将接触式测量头与机器人系统进行连接，将测量头安装在机器人末端法兰盘上，从而构建整个测量系统的硬件平台。

C.对测量头进行工具参数标定；

对标定块进行测量时，首先要知道接触式测量头相对于机器人末端法兰盘的位置，即对测量头进行工具参数标点。设机器人末端坐标系相对于机器人基坐标系的矩阵变换为⁰T_T，可以从机器人控制软件得出，测量头末端坐标系相对于机器人法兰盘坐标系的矩阵变换为^TT_E,由于测量头是固结于末端法兰盘上的，所以转换矩阵^TT_E是不变的，控制机器人对操作空间内已知位置点进行示教，通过已知点在机器人基坐标系位置⁰T_E与机器人末端位置坐标⁰T_T求解测量头坐标系相对于机器人末端坐标系的齐次转换关系，计算公式如下所示：

⁰T_T·^TT_E＝⁰T_E

式中：⁰T_T为机器人末端法兰盘的坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵，可从机器人控制软件中直接读取，^TT_E为测量头末端坐标系相对于机器人法兰盘坐标系的变换矩阵，矩阵⁰T_E为空间内已知位置点相对于机器人基坐标系的位姿矩阵。

D.将标定块放入到机器人的工作空间内；

将平面度高的标定块的放入机器人的工作空间内，以便机器人可以对标定块平面上的点进行测量。

E.对标定块进行示教并测量

控制机器人对步骤(D)中放入的标定块进行示教并测量，记录测量头中心坐标系相对于机器人基坐标系的位置坐标。

F.机器人运动学参数标定

参考图4，机器人在对标定块进行示教并进行测量时，测量点到平面的距离理论上应该等于0，所以测量的所有点理论上应满足公式：

W = Σ_{i = 1}^{m} (n \cdot P_{i} (p, θ) - r)

其中：P_i为测量平面上的第i个点的位置量，m为测量点的个数，n为测量平面的单位法向量，r为测量头中心到测量平面的距离，p是包含所有需要标定的参数向量，θ是机器人旋转关节角向量，W为测量点到平面的距离之和。

为了提高机器人定位精度，理论上W应该等于0，所以将上式进行泰勒展开，只保留一阶项得：

-n·J(p₀,θ_i)dp'＝n·P(p₀,θ_i)-r

最终将所测量的m个平面点代入到上式得出机器人运动学参数标定模型：

-N·J(p₀,θ_i)dp'＝N·P(p₀,θ_i)-R

\begin{matrix} NJ = {[\begin{matrix} n \cdot J (p_{0}, θ_{1}) \\ n \cdot J (p_{0}, θ_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ n \cdot J (p_{0}, θ_{m}) \end{matrix}]}_{m \times 1} & NP = {[\begin{matrix} n \cdot P (p_{0}, θ_{1}) \\ n \cdot P (p_{0}, θ_{2}) \\ . \\ . \\ . \\ m \cdot P (p_{0}, θ_{m}) \end{matrix}]}_{m \times 1} & R = [\begin{matrix} r \\ r \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ r \end{matrix}] \end{matrix}

将步骤(E)所测量得到的位置坐标数据代入到标定模型,利用最小二乘法求解机器人运动学参数误差，从而修改机器人控制软件以提高机器人的绝对定位精度。

G.实验验证

所述步骤(G)对标定实验进行验证过程中，利用步骤(F)中得到的机器人误差参数来修正机器人的理论参数，同时控制机器人对标准块平面再次进行示教测量，将所测的数据进行平面拟合，得到拟合平面的平面度，将其与所要求的平面度进行对比，是否满足要求，若是，则停止标定过程，若否，重新继续步骤B、C、D、E、F、G，直到满足精度要求。

本发明一种基于测量头的机器人标定方法，将测量头与机器人系统结合对机器人参数进行标定，该方法具有简单、实用、高效的特点，可以成功辨识机器人运行学参数误差，提高机器人的绝对定位精度。本发明适合应用与任何串联机器人，而且标定效果明显，成本较低。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明并不限于以上步骤所述,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出各种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种基于测量头的机器人标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.建立机器人运动学模型；

B.将测量头安装在机器人法兰盘末端；

C.对测量头进行工具参数标定；

D.将标定块放入机器人工作空间内；

E.对标定块进行示教并测量；

F.机器人运动学参数标定；

G.实验验证。

2.根据权利要求1所述的一种基于测量头的机器人标定方法,其特征在于：所述步骤(A)建立机器人运动学模型是通过传统的D-H建模方法对机器人进行建模，将连杆坐标系i相对于连杆坐标系i-1的齐次变换矩阵设为A_i，则机器人末端连杆坐标系T和机器人基础坐标系0的总变换⁰T_T为：

⁰T_T＝A₁A₂...A_i...A_T。

3.根据权利要求1所述的一种基于测量头的机器人标定方法,其特征在于：所述步骤(C)对测量头进行工具参数标定是通过对工作空间内已知位置点示教来求解测量头末端与机器人末端法兰盘之间的相对位置关系矩阵^TT_E，转换关系如下： ⁰T_T·^TT_E＝⁰T_E

4.根据权利要求1所述的一种基于测量头的机器人标定方法,其特征在于：所述对机器人运动学参数标定过程中，通过将步骤(E)所测量得到的位置坐标数据代入到标定模型，利用最小二乘法求解运动学参数误差，通过修正运动学参数完成机器人标定，机器人参数误差标定模型如下：

其中：N为示教平面的单位法向量；J为标定雅克比矩阵；dp’为机器人参数误差向量；P为示教测量得到的机器人末端位置矩阵；R为测量头中心到标准平面的距离向量。

5.根据权利要求1所述的一种基于测量头的机器人标定方法,其特征在于：所述步骤(G)对标定实验进行验证过程中，利用步骤(F)中得到的机器人误差参数来修正机器人的理论参数，同时控制机器人对标准块平面再次进行示教测量，将所测的数据进行平面拟合，得到拟合平面的平面度，将其与要求的平面度进行对比，是否满足要求，若是，则停止标定过程，若否，重新继续步骤B、C、D、E、F、G，直到满足精度要求。